 | | 수십개의 연료전지 셀을 겹쳐 제작된 연료전지 스택으로 좌우측의 돌출된 부분이 수소와 산소, 물 등이 들어가거나 나오는 연결부이다. |
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수소 에너지를 활용한 연료전지 개발이 우리나라에서도 활발하게 추진되고 있다.
한국에너지기술연구원 고분자연료전지연구단 이원용 박사(47)는 수소를 전기 에너지로 바꿔주는 차량 및 가정용 연료전지를 개발중이다. 수소 에너지를 연료전지를 통해 전기로 바꿔 사용하면 30~40% 대의 에너지 효율을 얻을 수 있다.
연료전지는 수소와 대기중의 산소를 결합해 전기를 생산하는 장치로 고분자막 제작과 시스템 설계기술이 핵심이다. 고분자막은 수소의 H+이온만을 통과시켜 전기를 생산한다.
현재 고분자막 소재로는 전세계적으로 듀퐁사의 나피온(NAFION)을 사용하고 있고, 여기에 백금과 탄소를 결합한 촉매를 증착시켜 제작된다. 이 박사는 "고가의 촉매사용을 최소하면서 전기생산 효율을 높이는 연구에 주력하고 있다"고 설명했다.
고분자막의 양쪽에 부착돼 연료전지 셀을 형성하는 바이폴라 플레이트(bipolar plate)는 소재 및 제작기술이 수소연료전지의 중요한 부분이다. 카본 복합재로 만들어지는 바이폴라 플레이트는 수소가 통과할 수 있는 통로가 새겨진 얇은 판 형태로 두개의 판 사이에 고분자막이 부착된다.
바이폴라 플레이트는 연료전지가 차량용이냐 가정용이냐에 따라 다양한 형태가 필요하며, 하나의 연료전지에 수십에서 수백개가 겹쳐져 사용된다.
수요가 많기 때문에 대량 생산기술이 필요하지만, 현재는 수소 통로를 일일이 새겨넣는 형태로 제작된다. 최근 한 국내 타이어 업체가 타이어 제작기술을 활용, 바이폴라 플레이트를 찍어내는 기술을 개발중이다.
이 박사팀은 카본 복합재로 바이폴라 플레이트를 찍어내는 기술이 매우 어렵기 때문에 금속소재를 활용하는 방안을 연구하고 있다. 또 고분자막에 사용되는 나피온을 대체하는 기술도 개발중이다.
물에 젖은 상태에서 전기생산이 이뤄지는 나피온의 경우 100도 이상이 온도에서는 기능이 떨어져 연료전지의 효율을 낮추거나 물을 이용한 냉각을 통해 80도 내외의 온도를 유지해야 하는 문제를 안고 있다. 반면 120도 이상의 온도에서 안정적인 고분자막 소재를 개발하면 물을 이용한 냉각없이 연료전지를 개발할 수 있다.
